一種三維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿 真推演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 保障居民供水安全和良好的生活環(huán)境是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事。近年以來(lái)，隨著經(jīng) 濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水與生活污水的大量排放，使得河流水源污染事故頻頻發(fā)生，不僅制 約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，并且對(duì)于人民的健康安全都造成了嚴(yán)重的威脅。因此，對(duì)水質(zhì)的監(jiān) 控，突發(fā)性水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警及分析，城市供水的精細(xì)化管理成為政府部門(mén)與科研單位越來(lái) 越重要的工作。因此水污染事故的數(shù)值模擬、河網(wǎng)群閘聯(lián)控調(diào)水補(bǔ)水成為了近年來(lái)的研究 執(zhí)占。
[0003] 水污染的模擬分析、河網(wǎng)的群閘聯(lián)控都要使用水動(dòng)力和水質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。 對(duì)此，國(guó)內(nèi)外已有很多的研究。這些模擬方法，可以結(jié)合GIS軟件對(duì)設(shè)定的污染事件進(jìn)行模 擬還原和后續(xù)影響分析。這些模型和方法很多也有較好的準(zhǔn)確性，但是它們的可視化程度 和交互性還有很大不足，造成分析和決策的效率較低。除了圖表之外，目前用得最多的是每 隔一定時(shí)段的污染狀態(tài)圖。這些污染狀態(tài)圖能讓人了解污染擴(kuò)散的軌跡。但由于他們生成 速度慢，以至于經(jīng)常無(wú)法用于輔助決策。例如某處河網(wǎng)內(nèi)突發(fā)污染，如何調(diào)度水庫(kù)和河網(wǎng)內(nèi) 各處水閘以快速把污染從河網(wǎng)中排掉，這是一個(gè)很緊急的問(wèn)題。各處水閘如何調(diào)度，可能有 很多種潛在方案。而要把這些方案模擬生成各時(shí)段的污染狀態(tài)圖并比較出最優(yōu)，可能需要 好幾天的時(shí)間。而等時(shí)間過(guò)了好幾天再去處理該突發(fā)污染，污染可能早已經(jīng)失去控制了。再 例如靠近出?？诘暮泳W(wǎng)需要對(duì)各水閘聯(lián)控調(diào)度來(lái)引入潮水來(lái)沖淡和帶走生活污水。多種水 閘聯(lián)控方案進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬和比較分析需要很長(zhǎng)的時(shí)間。而且每個(gè)月份的水文數(shù)據(jù)都是不同 的，因此數(shù)據(jù)和方案也會(huì)不同。所以，要研究篩選出最佳的水閘聯(lián)控方案，工作量是非常繁 重的，并且效率低下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠模擬推演污染物在河網(wǎng)中 擴(kuò)散情況的三維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種三維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污 染仿真推演方法，包括以下步驟： 步驟一，先對(duì)河網(wǎng)、水閘與周邊地形建立三維仿真模型，對(duì)河流劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界； 步驟二，建立推演分析數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟三，從河道交匯點(diǎn)、分岔口、邊界位置和河寬急劇變化的位置選取河道的關(guān)鍵斷 面； 步驟四，獲取河道關(guān)鍵斷面的連續(xù)的水位、流速數(shù)據(jù)并記入數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)格水位流速信 息表； 步驟五，設(shè)置污染物的播撒位置、數(shù)量和播撒方式； 步驟六，根據(jù)關(guān)鍵斷面的水位，用迭代法計(jì)算所有非關(guān)鍵斷面的水位，計(jì)算方法為：以 關(guān)鍵斷面對(duì)河道分段，對(duì)每對(duì)關(guān)鍵斷面之間的所有網(wǎng)格循環(huán)，從水位由低到高遍歷所有網(wǎng) 格；對(duì)每個(gè)網(wǎng)格i執(zhí)行如下操作：把網(wǎng)格i和與i相鄰并且水位比i高的々個(gè)網(wǎng)格，把它們 的水位求個(gè)平均值，重新賦值給這奸1的網(wǎng)格，其計(jì)算公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種H維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，其特征在于；包括W下步驟： 步驟一，先對(duì)河網(wǎng)、水間與周邊地形建立H維仿真模型，對(duì)河流劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界； 步驟二，建立推演分析數(shù)據(jù)庫(kù)； 步驟H，從河道交匯點(diǎn)、分岔口、邊界位置和河寬急劇變化的位置選取河道的關(guān)鍵斷 面； 步驟四，獲取河道關(guān)鍵斷面的連續(xù)的水位、流速數(shù)據(jù)并記入數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)格水位流速信 息表； 步驟五，設(shè)置污染物的播撒位置、數(shù)量和播撒方式； 步驟六，根據(jù)關(guān)鍵斷面的水位，用迭代法計(jì)算所有非關(guān)鍵斷面的水位，計(jì)算方法為：W 關(guān)鍵斷面對(duì)河道分段，對(duì)每對(duì)關(guān)鍵斷面之間的所有網(wǎng)格循環(huán)，從水位由低到高遍歷所有網(wǎng) 格；對(duì)每個(gè)網(wǎng)格i執(zhí)行如下操作：把網(wǎng)格巧日與對(duì)目鄰并且水位比i高的的"網(wǎng)格，把它們 的水位求個(gè)平均值，重新賦值給該知1的網(wǎng)格，其計(jì)算公式為：
上式中：公。為要計(jì)算的新水位，將賦值給所有做平均的網(wǎng)格，與和分別為網(wǎng)格i、J 的舊水位，巧P 分別為網(wǎng)格i、誠(chéng)]面積，氣為網(wǎng)格誠(chéng)]水流向網(wǎng)格i的概率； 步驟走，用迭代法計(jì)算出每個(gè)河道中每個(gè)非關(guān)鍵斷面網(wǎng)格的流速，先算出網(wǎng)格i的輸 入流量：
上式中，為從水位比網(wǎng)格i高的相鄰網(wǎng)格施入網(wǎng)格i的流速，年為網(wǎng)格j的河 道斷面面積； 根據(jù)網(wǎng)格的輸入流量等于輸出流量的原理，利用網(wǎng)格i的輸入流量除W輸出方向的總 截面積，獲得網(wǎng)格i的平均輸出流速，其計(jì)算公式為：
上式中，為更高相鄰網(wǎng)格誠(chéng)1入網(wǎng)格i的速度，巧J網(wǎng)格i的更高相鄰網(wǎng)格的個(gè) 數(shù)，?為網(wǎng)格i的更低相鄰網(wǎng)格的個(gè)數(shù)，年?和4>分別為網(wǎng)格沛網(wǎng)格片的河流斷面面積；

根據(jù)網(wǎng)格i與每個(gè)網(wǎng)格片的水位差對(duì)網(wǎng)格J輸入每個(gè)網(wǎng)格片的流量進(jìn)行分配，對(duì)于網(wǎng) 格滿(mǎn)向水位更低的某個(gè)網(wǎng)格Z7的流速，其計(jì)算公式為：
上式中，p y為網(wǎng)格i流向水位更低的某個(gè)網(wǎng)格片的流速，化為網(wǎng)格巧某網(wǎng) 格/7的水位差，立品云為網(wǎng)格i與各網(wǎng)格片的平均水位差，石為該網(wǎng)格的平均輸出流速； 如果本次迭代并非為初次，網(wǎng)格i本身有上次迭代推導(dǎo)的輸出流速數(shù)據(jù)，通過(guò)W下公 式把網(wǎng)格i在?某輸出方向的上次推導(dǎo)的流速與本次推導(dǎo)的流速做平均：
上式中，為網(wǎng)格i往更低網(wǎng)格方向的新輸出流速，為本次推導(dǎo)出的輸 出流速，為上次推導(dǎo)出的輸出流速； 利用上式獲得的網(wǎng)格i對(duì)各網(wǎng)格片的新輸出流速W及各網(wǎng)格片的河道斷面面積，計(jì)算 一個(gè)新平均輸出流速專(zhuān)：
將新平均輸出流速、T與調(diào)整前的平均輸出流速;T相比，獲得比值即f ^ ;最后， 將比值難對(duì)更高相鄰網(wǎng)格施入網(wǎng)格巧勺流速進(jìn)行調(diào)整；; 步驟八，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中水間開(kāi)關(guān)時(shí)刻表或根據(jù)軟件系統(tǒng)中的交互操作，來(lái)實(shí)時(shí)改變H 維模型中水間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)； 步驟九，根據(jù)計(jì)算出的水位和流速驅(qū)動(dòng)污染物在河道中的運(yùn)動(dòng)，撞染一峽，一次迭代結(jié) 束；然后返回至步驟六并按W上順序進(jìn)行下一次迭代，通過(guò)多次迭代使界面不斷撞染，從而 在H維場(chǎng)景中看到污染物的運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散過(guò)程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，其特征在 于；所述步驟一采用3Dmax或化eator建立H維仿真模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，其特征在 于；所述步驟二中的數(shù)據(jù)庫(kù)包括模型信息表、網(wǎng)格信息表、網(wǎng)格水位流速信息表、水間信息 表和水間開(kāi)關(guān)信息表，該數(shù)據(jù)庫(kù)由SQL Server或Sybase或化acle建立。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，其特征在

于；所述步驟四中，利用測(cè)流儀等工具實(shí)地測(cè)量或者根據(jù)其他水力模型算得取得所有關(guān)鍵 斷面的連續(xù)的水位、流速數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種H維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，其特征在 于；所述步驟走中，其選取的網(wǎng)格J (或/7)的河流斷面面積年.（或4)可W為橫斷面面積^ 或縱斷面面積并根據(jù)W下公式進(jìn)行選?。?br>上式中，r為網(wǎng)格的流速矢量，方向是本網(wǎng)格參考點(diǎn)指向流向網(wǎng)格的參考點(diǎn)，！為網(wǎng)格 兩條橫跨兩岸的邊的中點(diǎn)的連線(xiàn)矢量。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種三維場(chǎng)景分段迭代的河網(wǎng)污染仿真推演方法，本發(fā)明構(gòu)建的仿真系統(tǒng)可模擬現(xiàn)實(shí)中的河網(wǎng)以及其水閘，同時(shí)可以在其仿真模型中設(shè)置和散布污染物，并依據(jù)本發(fā)明中的迭代推演方法有效地模擬污染物在河網(wǎng)中的擴(kuò)散情況，并以圖像形式實(shí)時(shí)反映其變化。使水污染問(wèn)題的分析將變得高效，從而城市的河網(wǎng)河涌的污染治理分析將變得更加有效率，城市的水污染治理水平將提升。
【IPC分類(lèi)】G06F17-50
【公開(kāi)號(hào)】CN104598701
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510095751
【發(fā)明人】羅立宏
【申請(qǐng)人】廣東工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年3月4日